一種精密復(fù)雜曲面零件型面磨料流等余量精準拋光模具設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精密復(fù)雜曲面零件型面磨料流等余量精準拋光模具設(shè)計方法，尤 其針對表面質(zhì)量要求和均一性很高的航空精密葉輪、葉盤和葉片等曲面類零件的型面磨料 流等余量精準拋光模具設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如航空發(fā)動機整體葉盤、葉輪、葉片等精密復(fù)雜曲面零件的型面，在傳統(tǒng)的 精密數(shù)控銑削、電火花或電解成形加工、3D打印成形后，其表面粗糙度一般只能達到 Ra2. 0-1. 6 y m，仍然需要在不破壞其精準型面的基礎(chǔ)上，通過后續(xù)精密拋光或超精研等加 工方法進一步降低被加工型面的粗糙度至RaO. 4-0. 1 ym。由于上述零件被加工型面的強幾 何干涉特點導致其加工可達性差、加之多屬于剛度較差的薄壁構(gòu)形，目前企業(yè)主要采用砂 帶、布輪、油石等工具進行手工拋光工藝，不僅存在型面難以保證、局部邊角拋光不到、拋光 紋理雜亂、表面粗糙度均一性差等質(zhì)量問題，而且加工效率低下、環(huán)境粉塵污染嚴重。采用 擠壓磨料流工藝方法將能夠有效避免局部邊角拋光不到、避免拋光紋理雜亂和無環(huán)境粉塵 污染等優(yōu)點，但是由于傳統(tǒng)的"穿膛過"式擠壓磨料流工藝方法在拋光上述復(fù)雜曲面時，由 于進出口壓差的存在，很容易使被加工后的工件出現(xiàn)壓力大處去除材料多，壓力小處去除 材料少的不均勻性問題，即產(chǎn)生"過拋"或"欠拋"現(xiàn)象，破壞了產(chǎn)品型面的精準性，因而使 之該工藝方法難以適用于諸如航空葉輪等高性能零件的精密拋光加工。
[0003] 采用擠壓磨料流工藝對模具內(nèi)表面、小孔、閥腔等復(fù)雜曲面是一種高效的拋光方 法，但是企業(yè)中所應(yīng)用的傳統(tǒng)擠壓磨料流工藝，主要應(yīng)用在氣動性能要求不高的管類內(nèi)腔、 空調(diào)葉輪、液壓閥腔，汽車輪轂等對產(chǎn)生"過拋"或"欠拋"后影響不大的零部件中；而對于 氣動性能要求較高的航空發(fā)動機整體葉盤、葉輪等要求型面精準、表面質(zhì)量均一性高的復(fù) 雜曲面類零件，由于傳統(tǒng)擠壓磨料流在磨料擠壓加工工件過程中，進出口壓差不等，導致擠 壓流體磨料流過被加工工件密封腔體內(nèi)形成不均勻的壓力場，從而極易造成被加工工件表 面在磨料擠壓流入和流出處產(chǎn)生"過拋"或"欠拋"等表面不均勻現(xiàn)象。
[0004] 申請者曾發(fā)明了"一種整體葉輪類零件旋轉(zhuǎn)磨料流拋光方法 (ZL201210103751. 7) "和一種整體葉輪類零件旋轉(zhuǎn)磨料流拋光裝置（ZL201210103154. 4) "， 通過在工件外側(cè)面增加一個專用的仿形夾具罩，以及改變磨料泵的定時循環(huán)交變供料及控 制閥調(diào)節(jié)流量壓力等，較好地解決了零件拋光過程的"欠拋"和部分"過拋"現(xiàn)象。但是對于 航空精密葉片等精度要求更高的零件，仍然存在葉形銳邊尖端"過拋"和精準型面存在"局 部微量惡化"難題。
[0005] 太原理工大學利用磨料流拋光內(nèi)管道時，提出了在管道兩端設(shè)計一段料流引導段 的工藝方法，使邊緣"過拋"控制在引導段上，從而實現(xiàn)對待拋工件的保護。
[0006] 專利CN103111946A發(fā)明了一種適用于整體葉盤磨料流拋光專用夾具，該夾具利 用密封墊緊貼整體葉盤葉片前后緣，以此保護葉片前后緣產(chǎn)生磨損。但是，在整體葉盤銑削 成形后葉片前后緣的過渡圓角有可能出現(xiàn)方頭等，為提高整體葉盤壓氣效率，拋光過程中 需要對所述過渡圓角進行修形，而利用密封圈緊貼前后緣的保護方式將阻止磨料流對前后 緣的修形。
[0007] 現(xiàn)有文獻中描述的針對磨料流加工夾具型面設(shè)計的方法都屬于粗放式設(shè)計，未考 慮磨料流介質(zhì)流場、模具磨損和型面過拋量等參量對模具約束型面的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為實現(xiàn)航空發(fā)動機整體葉輪、葉盤、葉片等復(fù)雜曲面流道類零件的精準拋光加工， 達到表面拋光型面精準、拋光紋理均勻和規(guī)則、粗糙度小于RaO. 4的設(shè)計要求，并顯著提高 生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度和改善作業(yè)環(huán)境，本發(fā)明提供了一種精密復(fù)雜曲面零件型面 的磨料流等余量精準拋光模具設(shè)計方法，該方法應(yīng)采用基于復(fù)雜型面磨料流介質(zhì)工作流場 的模具反求設(shè)計方法，實現(xiàn)磨料流介質(zhì)工作流場出入口壓力場均勻的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，將能 夠進一步提高并實現(xiàn)此類精密零件磨料流拋光加工的型面精準性和質(zhì)量均一性。
[0009] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種精密復(fù)雜曲面零件型面磨料流等余量精準拋光 模具設(shè)計方法，模具的磨料流介質(zhì)流道間隙和進出口處截面形狀是依據(jù)建立的半固態(tài)粘彈 性磨料流介質(zhì)流場數(shù)學模型及其壓力仿真模擬結(jié)果進行反求設(shè)計，所述反求設(shè)計的步驟如 下：
[0010] (a)模具的磨料流介質(zhì)進出口處截面形狀是依據(jù)半固態(tài)粘彈性磨料流介質(zhì)流場數(shù) 學模型，獲得不同材料的拋光流道間隙對其拋光壓力影響的流場仿真模擬結(jié)果；
[0011] (b)依據(jù)流場仿真模擬結(jié)果，將待加工表面沿流動方向劃分為三個區(qū)段：磨料流 介質(zhì)穩(wěn)定流動段、入口劇烈影響段和磨料流介質(zhì)直接沖擊段；
[0012] (c)依據(jù)流場仿真模擬結(jié)果，結(jié)合（b)所述待加工表面沿流動方向劃分為三個區(qū) 段，將模具約束表面劃分為三個區(qū)段：過渡區(qū)、放開區(qū)和穩(wěn)定區(qū)；
[0013] (d)依據(jù)流場仿真模擬結(jié)果，進行不同區(qū)段模具截面形狀的反求設(shè)計，得到合理的 流道間隙；在各區(qū)段中，半固態(tài)粘彈性磨料流介質(zhì)流場數(shù)學模型滿足下列公式：
[0014] 過渡段di，
[0015]放開區(qū)：82=K2F2(Q，Ah，x，l2)，
[0016]穩(wěn)定區(qū)：63=K3'F3(Q，t，x，13)，
[0017] 其中，Si為過渡段模具與復(fù)雜型面的間隙，mm，S 2為開放區(qū)模具與復(fù)雜型面的間 隙，mm，F(xiàn)2為間隙S 2的函數(shù)關(guān)系，K2為修正系數(shù)，Ah為放開區(qū)相比于穩(wěn)定區(qū)的過拋量，mm， x為磨料流介質(zhì)在復(fù)雜型面上的濕周，_，1 2為放開區(qū)的長度，mm; S 3為穩(wěn)定區(qū)模具與復(fù) 雜型面的間隙，mm，F(xiàn)3為間隙S 3的函數(shù)關(guān)系，K3'為修正系數(shù)，t剪切應(yīng)力，MPa，l3為磨料 流介質(zhì)流動長度，mm，Q為通過流道的流量，kg/sec.;
[0018] 各區(qū)段的模具型面反求出來后，為保證磨料流介質(zhì)在三區(qū)段連接處的穩(wěn)定過渡， 其分段間隙函數(shù)應(yīng)滿足以下邊界條件：
[0019]
[0020] 針對復(fù)雜曲面銳邊拋光需求，采用一種銳邊格柵或擋塊保護結(jié)構(gòu)，所述格柵或擋 塊結(jié)構(gòu)距離銳邊邊緣0. 5-5. 5mm，并基于流場仿真模擬結(jié)果確定其位置和形狀參量；
[0021] 基于流場仿真模擬分析，并依據(jù)模具與待加工工件材質(zhì)特性，選擇與待加工表面 匹配的模具材質(zhì)，利用磨損轉(zhuǎn)移方法實現(xiàn)待加工表面"過拋"控制，所述模具材質(zhì)較待加工 表面材質(zhì)硬度低20-50%，在拋光初期模具表面因高剪切應(yīng)力作用而導致去除量高于待加 工表面，當模具磨損量與流場達到穩(wěn)定后，則實現(xiàn)流道內(nèi)的流場均勻化控制。
[0022] 采用上述技術(shù)方案的工作原理為：針對傳統(tǒng)擠壓磨料流的半固態(tài)粘彈性磨料流介 質(zhì)在加工精密復(fù)雜曲面葉輪和葉片型面時，由于在磨料的進口及出口處壓力不均勻，而導 致的被加工工件磨料進出口去除量大產(chǎn)生"過拋"或"欠拋"等問題，通過基于半